CN109417178B - 燃料电池系统的冲洗方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种在关断过程中冲洗燃料电池系统(2)的方法，其中，借助空气输送装置(4)输送空气，使所述空气通过燃料电池(3)的阴极区(6)且/或围绕所述阴极区流动，并且通过排风管道(7)再度吹出所述空气，其中，阳极排出管道(19)通过排出阀(18)连接所述排风管道(7)。本发明提出：所述排出阀(18)在所述关断过程中周期性地关闭和开启，其中，开启时长与所输送的空气量有关。

Description

燃料电池系统的冲洗方法
技术领域
本发明涉及一种在关断过程中冲洗燃料电池系统的方法，其中，借助空气输送装置输送空气，使所述空气通过燃料电池的阴极区且/或在所述阴极区周围流动，并且通过排风管道再度吹出所述空气，其中，阳极排出管道通过排出阀连接所述排风管道。
背景技术
关断时冲洗燃料电池系统，这基本上是已知的。通过这种方式，例如用空气冲洗阴极侧并且用空气或氢气冲洗阳极侧，可以干燥燃料电池，以便晚些时候当温度降至冻结点以下时，燃料电池不会冻结或者至少不会严重冻结，并且相应地能够更快更容易地重新启动。即使在冻结点以上的温度下，考虑到晚些时候的重新启动，在重新启动之前或者在关断时干燥燃料电池也具有决定性的优点，因为这能防止冷凝出的湿气润湿活性表面，从而防止这些活性表面被阻断。同样会被冷凝液滴阻断的分配通道也是如此。
这方面例如可参考DE 10 2007 026 330 B4，该案提出，为了干燥燃料电池，借助流体压缩机/流动式压气机
Figure GDA0003099210610000011
输送空气，使其部分穿过燃料电池本身，部分在燃料电池周围的所谓系统旁路中流动，以便能总是有足够的空气来稀释阳极侧吹出的氢气。
在此情况下，当非期望地排出高浓度氢气，而现有空气的体积流量又相应较低时，就会出现问题。在上述文献中是这样的：这些值是预先给定的固定值，因而出于安全原因必须总是以最大空气量进行工作，这在空气输送装置的能量需求方面和噪声排放方面都非常不可取。
DE 603 07 595 T2描述一种根据排出气体中的氢气浓度调整空气量的方法。但这需要对空气输送装置进行相应控制，以便总是能根据在阳极侧的排出气体中检测到的氢气浓度来提供足够多的空气量。这特别对于流体压缩机而言是个决定性缺点，因为流体压缩机通常具有很高的转速，并且改变转速需要一定的时间，因此在受到控制时往往响应迟钝，不能很好地动态调节流体压缩机所输送的空气量，也就是空气质量或空气体积流量。另一个缺点是，不断改变转速的空气输送装置的噪声排放远高于如前述文献中所描述的恒速运行的空气输送装置，哪怕后者的转速必须更高。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种开头所述类型的在关断时冲洗燃料电池系统的方法，这种方法能够避免上述缺点并进一步改善现有技术中的方法。
具有下述特征的方法是本发明用以达成这一目的的解决方案。
根据本发明的在关断过程中冲洗燃料电池系统的方法，借助空气输送装置输送空气，使所述空气通过燃料电池的阴极区且/或在所述阴极区周围流动，并且通过排风管道再度吹出所述空气，阳极排出管道通过排出阀连接所述排风管道，其中，排出阀在关断期间周期性地关闭和开启，其中，开启时长与所输送的空气量有关。也就是说，排出阀在燃料电池系统的由空气输送装置输送空气的整个关断步骤期间周期性地开启和关闭。通过根据所输送的空气量(即，例如测量到的空气质量或测量到的空气体积流量或者根据空气输送装置的转速和/或驱动功率估测出来的空气量)来调节周期性的开启和关闭，可以在不超过氢气排放的临界极限值的情况下，使该阀达到在该输送空气量下的最大开启时长。也就是说，通过调整排出阀的开启时长，可使该阀达到与相应的空气量相适配的最大开启时长。借此从燃料电池的阳极侧排出尽可能多的水。
本发明方法的另一决定性优势在于，由空气输送装置输送并且在排风管道区域内相应稀释阳极侧的排放物的空气此前已流经燃料电池的阴极侧并且同样将该阴极侧干燥，从而使燃料电池的整个结构在关断步骤期间安全可靠地得到干燥。
同时确保在关断过程之后在燃料电池的阳极侧区域内存在尽可能高的氢气浓度，因为通过开启所述阀，惰性气体也一并被吹出。对于晚些时候被关停的系统而言，阳极侧存在的这种尽可能高的氢气浓度具有决定性的优点，因为与阳极侧存在来自于空气的氧气相比，在阳极侧存在氢气的情况下重新启动燃料电池系统，这种操作对于燃料电池而言会柔和得多。借此延长所谓的H2保护时间(H2-Protection-Time)。
为了尽可能良好地实现这一点，根据前述构思的有利改进方案，本发明提出：当空气量较大时，延长开启时长，并且当空气量较小时，相应缩短开启时长，以便平均下来总是能充分稀释通常在阳极侧上一并被排出的氢气。
根据本发明方法的一种特别有利的改进方案，可进一步提出：所输送的空气至少部分地通过系统旁路从空气输送装置的压力侧直接被输送至涡轮的吸气侧而进入排风管道。以这种方式使用一般情况下原本就存在的系统旁路，能够减小必须流经燃料电池的阴极侧的空气量，也能减小酌情流经诸如加湿器等其他结构的空气量。借此减小压力损失，进而减小在关断步骤期间提供空气所需要的能耗。通过对系统旁路中的阀装置进行适当的调节，可以确保一方面有足够的干燥用空气量流经阴极侧并酌情流经加湿器，另一方面提供足够的空气量来稀释排风管道中有可能存在的被排放出来的氢气。
减小流经燃料电池阴极侧的空气量的另一优点在于，在关断步骤期间通常会限制单电池的电压。这就需要为燃料电池继续减去一定负载。通过限制单电池的电压，可以减轻电池内部的腐蚀，这会对燃料电池的使用寿命产生有利影响。阴极侧的空气量越大，具有适当的电负载的燃料电池的负荷必然越大。然而，在燃料电池的负荷渐增的同时会产生新的水，这与干燥燃料电池的愿望是相悖的。通过借助系统旁路减小流经阴极侧的空气质量，可以缓解这个问题。
根据本发明方法的另一非常有利的技术方案，可进一步提出：空气输送装置以恒定转速工作。特别是这样一种使空气输送装置以恒定转速工作的使用方式，其中根据上述的有利改进方案，需要时可以借助系统旁路对流经阴极的空气量进行调整，可以明显减小空气输送装置所发出的扰人声音和振动。这是因为，与不断调节空气输送装置的转速相比，规定转速下的恒速运行安静得多，产生的振动也少得多。此外，在恒定转速下，可以理想地根据该转速来设计消声器，从而将噪声排放最小化。与动态切换运行相比，恒速运行同时还能减小空气输送装置的能量需求。
根据本发明方法的一种特别有利的改进方案，可进一步提出：来自所述燃料电池的阳极区的排出气体通过再循环管道和再循环输送装置被回输至所述阳极区。优选地，所述阳极排出管道在阳极侧的在正常使用时最低的位置处分岔出来。优选地，在所述阳极侧上在所述阳极排出管道的分岔区域内设置水分离器。
根据本发明方法的一种特别有利的改进方案，可进一步提出：所述空气输送装置被设计为流体压缩机。优选地，所述空气输送装置与至少一个排风涡轮和至少一个电机处于作用性连接。
根据本发明方法的一种特别有利的改进方案，可进一步提出：所述燃料电池系统在常规运行时用于在车辆中提供驱动功率。
所述方法和所述燃料电池系统的其他有利技术方案通过实施例而变得清楚，下文将参照附图对该实施例进行详细说明。
附图说明
图1示出用于在车辆中实施本发明方法的燃料电池系统的原理图。
具体实施方式
图1示出车辆1的原理图。车辆1中设有用于为车辆1提供电驱动功率的燃料电池系统2。其中，用3标示的燃料电池是燃料电池系统2的核心部件，该燃料电池可被构造成例如采用PEM技术的单电池堆。优选可被构建为流体压缩机的空气输送装置4通过送风管道5为这个燃料电池3供给空气。空气进入燃料电池3的阴极区6，该阴极区在燃料电池3内部被示例性地示出。在此处所示的实施例中，排出空气接下来经由排风管道7到达用8标示的排风涡轮，并从该处进入环境。其中，在送风管道与排风管道之间可按已知方式方法设置气体/气体加湿器20。送风管道5中干热的进入空气在这个加湿器20中被排风管道7中的湿排出空气打湿。此外，送风管道5可以通过具有旁路阀10的旁路管道9连接排风管道7。旁路管道9和旁路阀10所组成的这个结构又称系统旁路，在现有技术中是基本已知的。
在此处所示的实施例中，空气输送装置4通过共用轴连接排风涡轮8和电机11。这个结构又被称为电动涡轮增压器(ETC)或电动机辅助的涡轮增压器。其功能如下：空气输送装置4为燃料电池3提供作为供氧剂的空气。针对排风管道7中现有的排出空气，可以通过使这部分排出空气在排风涡轮8中膨胀，来从排出空气中回收一部分能量。这部分能量可被用来辅助驱动空气输送装置4。剩下的所需驱动功率通常由电机11提供。在某些情况下，如果在排风涡轮8区域内所回收的功率超过空气输送装置4所需要的功率，则电机11也可以以发电机模式工作。
为燃料电池3的具有图中所示的阳极区12的阳极侧供应氢气。在此处所示的实施例中，氢气来自用13标示的压缩气体储存器并且通过调节与定量阀14以及下文还将详细说明的气体喷射泵15被供给阳极区12。未被消耗掉的剩余氢气与存在于所储存的氢气中的惰性气体或者从阴极区6扩散到阳极区12中的惰性气体一起以及与所产生的产物水一起从阴极区12经由再循环管道16返回气体喷射泵15。在气体喷射泵15中，经由定量阀14供给的新鲜氢气的任务是：通过负压效应和动量交换(Impulsaustausch)抽吸再循环管道16中的气体混合物，并且将该气体混合物与新鲜氢气混合后再度回输至阳极区12。这个结构同样是现有技术中已知的，被称作阳极回路。
在再循环管道16中，在此特别是在燃料电池系统2的阳极侧的在正常使用时的最低位置处，设有用17标示的水分离器。这个水分离器用于从在再循环管道16中流动的气体流中分离出液态水并加以收集。在燃料电池系统2的常规运行期间，不时地开启排出阀18，以便通过排出管道19排出这部分水。由于总是也有一定量的氢气和惰性气体被一并排出，因此，排出管道19通入排风管道7。其中，排出管道可以在排风涡轮8之前或之后通入排风管道7。为了防止极易损伤快速运转的涡轮的小滴接触排风涡轮8，排出管道在理想情况下可沿排出空气的流动方向在排风涡轮8之后通入排风管道7，实施例中示出的也是这种情形。此外，在排风管道7中可以沿排出空气的流动方向在排风涡轮8之前设置其他的水分离器。然而，这对于本领域技术人员而言是众所周知的，因此相应地不再加以图示。
在燃料电池系统2结束常规运行后，即，特别是当车辆1的驾驶员停下车辆时，在通过所谓的关断过程或关闭步骤进行关断时将燃料电池送入一个用于晚些时候的重新启动的定义状态。由于在低于冻结点的温度下产生的冷凝水会在燃料电池3中冻结，并且由于燃料电池中的冷凝水会润湿且进而阻断对于燃料电池的功能而言重要的区域，例如活性表面、气体导引通道等等，因此作为关断步骤的一部分，通常也对燃料电池3和燃料电池3的周边进行干燥。具体如下：在理想情况下，空气输送装置4以恒定转速工作，从而提供相应的空气质量流量。在轻微开启系统旁路阀14的情况下，这部分空气质量流量的一部分被引导通过加湿器20和阴极区6，另一部分经由系统旁路管道直接从送风管道5进入排风管道7。在排风涡轮8区域中以及在排风涡轮之后，整个输送空气流以其总空气质量可供被排放到环境中。在这个过程中，借助从加湿器20和燃料电池3的阴极区6中流过的空气对燃料电池3的阴极区6、加湿器20以及送风管道和排风管道进行相应干燥，以便安全可靠地排除冷凝形成液体的风险，特别是这部分液体晚些时候发生冻结的风险。
同样对燃料电池系统2的阳极侧进行冲洗。为此，至少部分地开启调压与定量阀14，以便氢气能够经由气体喷射泵15流过阳极回路。在此过程中，有可能存在的水被排出并积聚在水分离器17中。由于在阳极回路中无论如何也都存在一定浓度的氢气，因此，开启排出阀18时必须考虑到会向环境中排放氢气。因此提出：通过排出阀排出的体积经由排出管道19流入排风管道7并且被该处的空气稀释。此时，为了确保流入环境的排出空气中不存在不期望的高浓度的氢气，针对此处所说明的关断方法提出：排出阀18周期性地开启和关闭。这种周期性的开启和关闭一方面具有以下优点：形成特别是导致能够很好地从水分离器17和再循环管道16的区域中排水的压力脉冲。
与此同时，根据空气输送装置4的输送空气质量对开启时长进行调节，以便在任何情况下均能确保输送空气质量足以稀释可能的最大氢气排出量，使得环境中不会出现临界的氢气排放。这在实际操作中意味着，空气质量较大时，排出阀18的允许开启时长大于空气质量较小时。如此一来，在任何情况下均能确保：在实施关断步骤期间达到排出阀18的在所输送的空气质量下所能实现的最长开启时间。通过这个最长开启时间来确保从阳极侧排出尽可能多的水，同时能够从阳极侧排出最大量的不想要的惰性气体。在此情况下，最终将得到一个达到最佳干燥效果并且在整个阳极回路中具有尽可能高的氢气浓度的阳极侧。借此实现极佳的H2保护时间，同时将燃料电池3的阳极侧的冻结风险降至最低。
通过空气输送装置4的恒定转速还能将噪声排放最小化，并且与空气输送装置4的动态运行相比，能够减小传递到系统中的振动。
所述方法特别适合应用在车辆1中的燃料电池系统2中，因为这里会十分频繁地关停和重新启动燃料电池系统2，特别是在不利的环境条件(例如低于冻结点的温度)下也是如此。但是，所述方法原则上也可应用于车辆外部的燃料电池系统。

Claims (9)

1.一种在关断过程中冲洗燃料电池系统(2)的方法，其中，借助空气输送装置(4)输送空气，使所述空气通过燃料电池(3)的阴极区(6)且/或在所述阴极区周围流动，并且通过排风管道(7)再度吹出所述空气，其中，阳极排出管道(19)通过排出阀(18)连接所述排风管道(7)，其特征在于，所述排出阀(18)在所述关断过程中周期性地关闭和开启，其中，开启时长与所输送的空气量有关，并且所输送的空气量至少部分地通过系统旁路从所述空气输送装置(4)的压力侧直接被导引至所述排风管道(7)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，当所输送的空气量较大时，延长所述开启时长，当所输送的空气量较小时，缩短所述开启时长。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空气输送装置(4)在所述关断过程期间以恒定转速工作。
4.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，来自所述燃料电池(3)的阳极区(12)的排出气体通过再循环管道(16)和再循环输送装置(15)被回输至所述阳极区(12)。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述阳极排出管道(19)在阳极侧的在正常使用时最低的位置处分岔出来。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在所述阳极侧上在所述阳极排出管道(19)的分岔区域内设置水分离器(17)。
7.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述空气输送装置(4)被设计为流体压缩机。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述空气输送装置(4)与至少一个排风涡轮(8)和至少一个电机(11)处于作用性连接。
9.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述燃料电池系统(2)在常规运行时用于在车辆(1)中提供驱动功率。
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